Determinarea performanțelor actuatorilor din polimeri conductivi pentru aplicații reale - un sistem microprehensor

Abstract

În acest studiu, avem un raport privind modelarea, caracterizarea și determinarea performanțelor unui actuator din polimer inductiv, ce conduce o legatură rigidă pentru formarea fiecărui deget al unui sistem de apucare cu două degete, pe care îl numim un microsistem de prehensiune. Actuatorul, care este compus din 5 straturi de 3 materiale diferite, operează intr-un mediu nonacvatic: aer; opus predecesorilor săi. După îndoire, deplasarea și forța de ieșire a unui singur deget sunt motelate și caracterizate incluzând și efectul magnitudinii și frecvenței tensiunilor electrice, comportamentul neliniar al degetului, incluzând efectul de histerezis și deformație, sunt determinate experimantal, apoi este realizat un model vâscoelastic pentru a anticipa comportamentul de fluaj.

Rezultatele experimentale și teoretice prezentate demonstrează că, în tip ce histerezisul este neglijabil, fluajul este destul de semnificativ încât să nu fie ignorat. Este evaluat răspunsul actuatorului și degetului la tensiune de intrare tip treaptă și se observă că actuatorul nu are nicio întârziere, ci doar o constantă de timp mare. Sunt asamblate două degete pentru a forma un microsistem prehensor, ale cărui abilități de manipulare și poziționare a sarcinii au fost evaluate experimental. Poate ridica o greutate de 50 de ori mai mare decât a sa la o tensiune de 1,5 V. Sarcina manipulată a fost un obiect sferic acoperit cu un țesut din hârtie industrială. Coeficientul de frecare dintre obiect și legătura rigidă din fibra de carbon a fost determinat experimental și folosit pentru a estima forța de contact. Toate performanțele teoretice și experimentale prezentate demonstrează că actuatorii din polimeri conductivi pot fi folosiți pentru a realiza un dispozitiv microrobotic.

I. Introducere

Potențiali actuatori electromecanici și senzori, care sunt foarte adecvați pentru miniaturizare, actuatorii din polimeri inductivi au atras atenția multor cercetători în ultimul deceniu. Acești actuatori au o structură compozită cu straturi de polimer, separate unul de celălalt printr-un izolator. Când este aplicat stimulul potrivit (tensiune mică de 1V sau curent), o extindere și o contracție apare datorită proprietăților electromecanice ale polimerilor. Schimbarea volumului generează o îndoire-energia electrochimică este transformată în energie mecanică. Ca rezultat, un număr considerabil de cercetări s-au indreptat către modelarea și întelegerea comportamentului lor pentru a le îmbunătăți condițiile de sinteză pentru folosire ca actuatori siguri și senzori pentru aplicații noi de tăiere variind de la dispozitive biomedicale pînă la manipulatori. Zhou și Li au raportat 3 tipuri de actuatori din polimer, incluzând actuatori din polimeri condictivi ionic, actuator din polianilină și actuator termal din parilenă.

Această lucrare este o parte a unui proiect în desfășurare pe stabilirea sistemelor de manipulare precum grippere și mecanisme planare, articulate cu a 4-a generație de actuatori PPy fabricați în Institutul de Cercetare a Polimerilor Inteligenți și Universitatea din Wollongong. Polimerii conductivi au multe caracteristici promițătoare precum: tensiune scăzută de activare, funcționare în mediul acvatic și în aer, cost scăzut și forță mare. Principalul dezavantaj este viteza scăzută de răspuns și neliniaritatea datorată principiului de acționare, care se bazează pe transfer de masă. Aplicația actuatorilor cu polimer conductiv este un teren în curs de dezvoltare, cercetătorii începând să valorifice beneficiile proprietăților lor materiale, care sunt consolidate la scări mai mici. Posibilele aplicații din viitor includ mușchi artificiali și o largă varietate de senzori și actuatori în sisteme biomedicale și micro/nano sisteme de manipulare. În studiile anterioare am raportat pe dezvoltarea diverselor modele matematice pentru a prezice comportamentul de îndoire al actuatorilor cu polimer inductiv, și utilizarea modelelor pentru a optimiza topologia lor cu forțe înalte și deplasări exterioare.

În această lucrare, raportăm determinarea performanțelor unui actuator din polimer bazat pe PPy, care deplasează o legătura rigidă din fibră de carbon, care constituie fiecare deget al unui microsistem de prindere cu dimensiunile de: (5mm actuator+5mm legătura rigidă) x 1mm x 0,17mm. Ținând cont de aceste dimensiuni și de procesul de fabricare, microsistemul de apucare nu este bazat pe tehnologia MEMS. Evaluarea performanței a fost realizată în condiții de deplasare de îndoire și forță, și comportamentul lor neliniar: histerezisul și fluajul. Actuatorul a fost folosit într-o aplicație reală pentru a articula un gripper cu două degete. Rezultatele experimentale și estimate atestă faptul că actuatorii din polimeri electroactivi sunt adecvați pentru realizarea dispozitivelor micromanipulatoare precum un gripper, care poate manevra un obiect cu masa de 50 de ori mai mare decât masa sa totală.